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1、新材料在通信领域的应用前景一光纤通信用新材料氟化物玻璃电通信是以电作为信息载体实现的通信，而光通信则是以光作为信息载体而实现的通信。所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。 光纤通信作为一门技术，其出现，发展的历史至今不过 3040 年，但它已经给世界通信的面貌带来了巨大的变化，起深刻而长远的影响恐怕还在后头。我国在光纤通信的高技术领域中已取得一定成功,上海光纤年生产能力可望达到 2 万公里,“七五”期间光纤通信技术将在上海实现实用化。光纤通信技术诞生于五十年代中期。当时开发的硅酸盐玻璃光纤
2、束至今还在医学和工程上用于照明、传送图象和内窥器。六十年代以后开发了有机聚合物制成的塑料光纤,优良的型号可用于数百米以上的光通信。七十年代开始了石英玻纤的制造,把光通信技术推向成熟阶段。这种纤维,如使用 1030 公里间距的。光纤通信有以下特点：（1)通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达 20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前 400Gbit/s 系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为 1.55m 附近，石英光纤损耗可低于 0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。(2)信
3、号干扰小、保密性能好；(3）抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。(4）光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输；(5）材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。(6）无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。(7)光缆适应性强，寿命长。(8）质地脆，机械强度差。(9）光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。 （10）分路、耦合不灵活。(11）光纤光缆的弯曲半径不能过小（20cm）(12）有供电困难问题。利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做
4、激光光纤通信。通信光缆芯的材料根据不同的材质，有以下几种材质： 石英光纤、 氟化物玻璃光纤 硫系玻璃光纤 单晶玻璃光纤 多晶光纤 光子晶体光纤 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)塑料光纤 聚苯乙烯塑料光纤 聚碳酸酯塑料光纤和耐热塑料光纤。由此我就详细介绍一下光纤通信用新材料氟化物玻璃。科学界普遍认为，卫星技术和光导纤维技术将是新世纪的两大中心技术，而氟化物玻璃将在光导纤维技术中发挥奇特的作用。氟化物光导纤维的出现，大煞了石英光纤昔日的威风。因为在远距离通讯、尤其在海底通讯中，氟化物光导纤维由于其损耗极小，可在数千公里范围内免除一切中继站，无疑，这具有重大的科学和经济意义。氟化物玻璃除用于远距离通讯
5、外，在医学、国防等领域也将发挥巨大的作用。例如用它制成的测温计，不但能精确地测量高温，还能出色地测量低温，这就使目前常用的石英测温计大为逊色。用氟化物玻璃制成的呼吸气体分析仪，可用来对处于麻醉状态下的患者所呼出的气体的浓度进行即时分析，以尽可能减少手术中的危险率。更神奇的是，氟化物玻璃还可用来治疗癌症：因为当癌细胞的温度略低于周围正常细胞的温度时，癌细胞就会被破坏。因此，只需找到一种方法，例如采用透红外线的氟化物光导纤维医疗器械，精确地控制周围细胞内部的注入能量，使其温度略高于癌细胞的温度，就能取得治疗癌症的效果。氟化物玻璃的诞生，犹如在光纤技术世界发现了新大陆，引起了国际科学界的关注。法国稳
6、拿了氟化物玻璃发明者的桂冠，并在制造工艺上取得了捷足先登的成就。以氟锆酸盐玻璃为代表的氟化物玻璃以其从紫外到中红外极宽的透光范围,无毒及较好的物理化学性质成为最有希望的超长波段通信光纤材料。二光纤陶瓷插芯 2013 年 7 月 18 日，由石家庄市投资促进局、藁城市人民政府、石家庄经济技术开发区主办的“战略性新材料通信用陶瓷插芯项目启动仪式”在河北四方通信设备有限公司园区内隆重举行。此举标志着由我省光纤产业领军企业“四方通信”引领建设的新一代信息技术产业光纤产业集群第一个子项目正式落地，为我省加快转型升级、发展战略性新兴产业拉开了序幕。四方通信承担将上海交通大学科技成果转化为现实生产力的责任，
7、上海交通大学为河北省以光纤产业为“龙头”的新一代信息技术产业的建设与发展提供技术来源和技术支撑。下面详细介绍陶瓷插芯项目基本情况介绍1、陶瓷插芯简介及用途光纤陶瓷插芯(英文名称：ceramic ferrule)，光纤连接器插头中精密对中的圆柱体，中心有一微孔，用作固定光纤。光纤连接器是把光纤的两个端面精密地对接起来，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。陶瓷插芯是这种光纤连接器的核心部件，它是一种由纳米氧化锆(ZrO2)材 料经一系列配方、加工而成的高精度特种陶瓷元件，其孔径、真圆度误差为 0.5 靘。所制成 的连接器是可拆卸、分类的光纤活动连接器，使光通道的连接、转换调度更加灵活
8、，可供光 通系统的调试与维护。光纤陶瓷插芯的主要应用领域之一是光纤活动连接器，光纤活动连接器是实现光纤之间非固定性连接的光无源器件，它具有光纤与光纤、光纤与有源器件、光纤与其它无源器件以及光纤与仪表之间活动连接的功能。光纤活动连接器的核心部件就是光纤陶瓷插芯，陶瓷插芯的品质决定了连接器的插入损耗、回波损耗、重复性、互换性等技术指标的优劣。2 光纤陶瓷插芯的工艺技术(1)纳米氧化锆粉体注射成型材料配方和成形工艺技术；(2)内孔直径为 0.125mm?、长度为 1215mm 的细长微孔成形技术；(3)精度误差为 0.1m 的精密陶瓷加工技术；(4)烧结晶粒亚微米化的工艺控制方法；(5)低损耗的光通
9、信部件，其插入损耗0.2dB，回波损耗40dB。3、陶瓷插芯项目建设背景目前，陶瓷插芯后道加工生产分布地区主要在中国、日韩和欧美，其中以中国为最，日韩次之，欧美有部分生产厂商，但产量规模较小。由于发达国家光纤入户工程起步较早，市场空间较小。2010 年日本的陶瓷插芯生产厂商还占据较大市场份额，而近两年所占比例呈逐年下降趋势，目前仅占全球市场份额的 15%左右。2010 年全球主要陶瓷插芯厂家月产量总和在 3000 万支/月左右，2012 年超过 6000 万支/月，两年时间产量翻一倍，而这一轮扩张的主力军来自中国。导致陶瓷插芯在国内市场一直处于热销状态的原因主要表现在两个方面：一方面是国家三网
10、融合、4G 牌照发放、住建部与工信部共同颁发的住宅区和住宅建筑内光纤到户施工及验收规范出台、国务院关于印发“宽带中国”战略及实施方案的通知、国务院印发关于促进信息消费扩大内需的若干意见 、智慧城市建设等系列利好政策的出台，连接器市场的需求量将逐步扩大;另一方面受到整个行业插芯产能的限制，导致供应量紧张。作为光纤产业集群的第一个子项目，陶瓷插芯项目具有其独特的优势： 陶瓷插芯项目具有新一代信息技术、战略性新材料，两个属性是填补国内空白和实现“无中生有”的重大战略性新兴产业项目。 三硅光子芯片传统光通信模块是将三五族半导体芯片、高速电路硅芯片、被动光学组件及光纤封装而成，其中成本主要来自三五族半导
11、体芯片及系统封装。虽然其传输速度可达 40Gbit/s 以上，但比起用电缆传输而言，价格却相对昂贵许多，因此近几年来，高速硅光电(Silicon Photonic)组件变成一项相当热门的研究题材，主要研究动机是想藉由芯片量产技术降低芯片生产成本、提升良率，另一方面，经由缩小硅光电、光学组件的尺寸，进一步和后端电路整合在一起，降低封装成本。现阶段硅光电技术应用于光连结大致可分为三大领域主动式光缆(Active Optical Cable)、热插入光电传收模块(Plug-in Optical Transceiver Module)及芯片内链接(On-chip Optical Interconnec
12、t)。主动式光缆的研发以 Luxtera 为代表，其于数个光纤的两侧封装硅光电传收芯片，首先在芯片上直接制作被动光纤耦合器、高速硅光学调制器、硅锗光侦器、驱动电路及转阻放大器，最后再将光纤及电射晶粒组装于芯片上。其双向传输速度为40Gbit/s、传输长度 4,000 公尺，并可将速度提升至 112Gbit/s。由于光纤已和芯片封装在一起，可免去在使用上光学对准的问题，然而每条光缆的成本价格相对较高。另一做法是将硅光电传收芯片直接组装至硬件电路板上，然后藉由一热插入装置和光纤光缆连接。此概念和英特尔发展的 Lightpeak 技术架构相同，也是目前英特尔硅光子研究团队未来可能的发展方向。基本上，
13、该做法和主动式光缆唯一的差别在于，硅光电传收芯片整合在硬件信号传输端上而不在光缆上。此外，为倡议在芯片内部传输比特率的提升，IBM 也提出光子芯片光互连系统，但由于硅元素本身材料特性，导致开发光源时会有较低的发光效率，虽然已有学术文章致力探讨硅奈米结构量子局限效应，而有四个数量级提升的发光效率，但目前而言，距离成为具商业化阶段的产品仍有相当的努力空间。因此，在硅光子领域的光源开发有一部分是利用三五族半导体激光二极管直接整合硅光电组件进而形成混成激光(Hybrid Laser)的技术。多核 CPU 内联机应用硅光电技术于光连结最高极致的应用是在多核心中央处理器(CPU)芯片的内联机系统。一般来说
14、，如果单一信道数据传输量达到 10Gbit/s 以上，金属导线的信号传输质量就会严重下降，其主要的原因为高频信号随着传输距离急遽衰减、高频信号的电磁干扰以及信号的损耗使芯片的温度增高。利用光连结取代电连结可有效解决高速芯片传输信息量的限制。随着积体光学技术的发展，光学组件的整合性已不输给电子组件。以硅线波导为例，其高度及宽度约在数百奈米大小左右，可弯曲半径也在 10 微米(m)以内，再加上愈趋成熟的光信号处理技术(如分光、多任务及光切换等)，许多原先必须仰赖芯片运算的功能也可由光积电路取代。该领域的研究以 IBM、惠普(HP)及甲骨文(Oracle)的投入最多。图 4 是 IBM 所提出的硅光
15、子芯片光互连系统，其中光链接层可利用三维(3D)垂直整合技术加入至多核心运算层，形成一所谓“超级芯片”架构。IBM 目前已开发标准 90 奈米制程的初步硅光连结层，该光链接层上有被动光纤耦合器、多任务器、解多任务器、高速硅光学调制器、硅锗光侦器、驱动电路及转阻放大器，藉由多波长分工概念，每个硅波导数据传输量可达 25Gbit/s，但如何整合光源、降低组件消耗功率仍是一大挑战。调制器带宽达 40GHz高速通讯/全光计算近了此外，2004 年，英特尔整合金属氧化半导体电容(Metal-oxide-semiconductor Capacitor)与硅基光波导结构，成功制作出硅基全光快速相位调制器(H
16、igh-speed Optical Phase Modulator)，并且将该相位调制器用于硅基马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Interferometer)，其 3dB 调制带宽可达 1GHz，当时的研究成果发表于国际期刊Nature 。当顺向偏压施加于组件时，这时在闸极的氧化层(Gate Oxide)会出现电荷累积的现象，由于硅材料拥有折射率随载子浓度变化的特性，这些在氧化层与硅基波导接口的电荷浓度会改变硅基光波导的折射率，进一步影响光相位特性。因此，透过该物理特性，将此用于马赫曾德调制器，适当的调整电压大小与波导长度，便可轻易的调整光场相位的变化，即控制输出光场建设性或破坏性的干涉，以达到光信号的调制。2005 年英特尔延续之前硅基马赫曾德调制器的工作并且进行优化，不仅缩小组件尺寸，使光波导截面面积由原本的 2.5 微米2.3 微米，缩小至 1.6 微米1.55 微米，并且将原先 P 型多晶硅层改用单晶硅取代。此外，英特尔还将参杂浓度提升。缩小组件尺寸有利于光场的集中，因
